黑臭水體增氧設(shè)備的設(shè)計與工程應(yīng)用

何 婷 吳 翔 楊聲強 水心強

（安徽黃河水處理科技股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

0 引言

曝氣增氧技術(shù)是黑臭河道治理的主要措施之一，相應(yīng)的增氧技術(shù)有太陽能曝氣、鼓風(fēng)曝氣、推流曝氣、造流曝氣和噴泉曝氣等[1]。其中太陽能曝氣是一種將太陽能作為動力源[2]，應(yīng)用于增氧曝氣與水體循環(huán)設(shè)備進行水污染治理的技術(shù)[3]。太陽能曝氣治理技術(shù)可加速氧氣的傳質(zhì)過程，增加水中溶氧量，從而保障水生生物的生命活動及微生物氧化分解有機物所需的氧量，實現(xiàn)水體的生態(tài)修復(fù)，具有運行管理費用低、增氧效果好、運行噪音低等優(yōu)勢，非常適合應(yīng)用于河道、湖泊、水庫以及氧化塘等供電條件不足的黑臭水體，是一種投資少、見效快的水污染治理技術(shù)，符合國家“30·60”雙碳達峰、減排目標(biāo)，充分達到了節(jié)能減排的目的，在黑臭水體治理中具有廣闊的應(yīng)用前景[4]。

大多數(shù)太陽能增氧機都是采用逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電后通過蓄電池儲存用于設(shè)備[5]，也有少量直接使用太陽能直流電供能，但是供能電壓低，轉(zhuǎn)輸給復(fù)氧機的能耗就低，導(dǎo)致增氧量也較低。因此，急需設(shè)計新型高效的增氧直流太陽能曝氣機，以實現(xiàn)對水體的增氧功能。

1 設(shè)計方案

1.1 太陽能復(fù)氧機結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

該文設(shè)計的太陽能復(fù)氧機結(jié)構(gòu)主要包括：專用浮體、組合支架、太陽能板組件（24V，250W×2）、倒傘型渦旋曝氣葉輪（葉輪直徑0.5m，軸長230mm）、直流無刷電機（功率500W）、防護箱、傳動軸以及太陽能專用無刷電機控制器。將倒傘型太陽能復(fù)氧機置于水體中，通過專用浮體使其漂浮于水面上，然后同牽拉繩索和固定樁進行固定。太陽能經(jīng)過專用無刷電機控制器轉(zhuǎn)化為直流電能，驅(qū)動直流無刷電機，利用傳動軸帶動倒傘型渦旋曝氣葉輪轉(zhuǎn)動，在氣、水兩相界面形成渦流負(fù)壓，從而形成渦旋，使水體上下循環(huán)流動、充分混合，表層液面不斷被更新，而且導(dǎo)流葉片產(chǎn)生的渦流旋渦拉力使空氣不斷被吸入，從而形成了空氣與水體的大面積混合，氧氣迅速溶入水體中，完成水體的增氧作用。該裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 太陽能復(fù)氧機控制系統(tǒng)設(shè)計

太陽能復(fù)氧機控制系統(tǒng)的核心為無刷電機控制器，一般須2組電源，一個是14V電源，供功率場效應(yīng)管（MOSFET）驅(qū)動用，另一個是5V電源，供單片機、電機霍爾和轉(zhuǎn)把霍爾等電路用。14V電源由LM317調(diào)整管得到，5V電源由78L05得到。因為每天日照時長只有8h～12h，太陽能電池板提供的能量是間斷的，在沒有蓄電池作為儲備電源的工況下，電機也即隨之啟動和停止，但是現(xiàn)有的無刷直流控制器停止運行后，無法再次自動啟動。因此該文設(shè)計了專用的無刷直流控制器，如圖2所示?？烧{(diào)電阻R4輸入端取自電源總輸入端，串聯(lián)一個穩(wěn)壓二極管D1，再串聯(lián)一個極性電容C7，電容兩端并聯(lián)一個2.2K的電阻R5。極性電容C7的負(fù)極取LM317端的+14V。因為太陽光伏板的電壓會隨著光線的增強而增強，所以極性電容正極的電壓在0V～2.5V變化，而光耦817C的導(dǎo)通電壓在0V～1.7V。當(dāng)太陽在一天中的光照強度達到一定時，光耦817C的輸入端就會導(dǎo)通，輸出端的集電極就會把取自78L05的+5V輸送到分壓電阻R3上，分壓電阻R3的取壓端就會得到0V～4.5V的電壓。這個電壓會加在速度控制器的輸入端，繼而驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。該電路的優(yōu)點是當(dāng)太陽能板發(fā)出的電壓不穩(wěn)定時，那么欠壓檢測電路就會保護。如果光照強度恢復(fù)，其中的自啟電路可讓電機在黑夜與白天之間無須人為干預(yù)而自動啟、停。

1.3 復(fù)氧機主要評價指標(biāo)

復(fù)氧機的增氧屬于傳質(zhì)過程，其增氧性能主要衡量指標(biāo)為氧的總轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa、增氧量qc和動力效率Es。

圖1 太陽能復(fù)氧機運行水體循環(huán)流態(tài)圖

氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa[6]，如公式（1）所示。

式中：KLa復(fù)氧機在測試條件下氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)，min-1；t為曝氣時間，min；Cs為水中飽和溶解氧濃度，mg/L；C為與曝氣時間t相應(yīng)的水中溶解氧濃度，mg/L。

將公式（1）積分后可得公式（2）。

式中：Cs為水中飽和溶解氧濃度，mg/L；C為與曝氣時間t相應(yīng)的水中溶解氧濃度，mg/L；t為曝氣時間，min； KLa復(fù)氧機在測試條件下氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)，min-1。

利用（2）式作曲線，該曲線的斜率即為氧轉(zhuǎn)移系數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，氧轉(zhuǎn)移系數(shù)如公式（3）所示。

式中：KLas為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)測試條件下復(fù)氧機氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa，min-1；KLa為測試水溫條件下復(fù)氧機氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)，min-1；T為測試水溫，℃；θ為溫度修正系數(shù)1.024。

復(fù)氧機增氧能力qc計算方法，如公式（4）所示。

式中：qc為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)測試條件下的復(fù)氧機增氧能力，kg/h；V為測試水體中水的體積，m3；Cs（20）為20℃水中飽和溶解氧濃度為9.17，mg/L；其中0.55=60/1000·9.17。

動力效率，如公式（5）所示。

式中：Es為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)測試條件下，曝氣設(shè)備動力效率，kg/kW·h；Ps為總輸入功率，kW。

2 工程應(yīng)用

2.1 項目概況

小黃河位于某鎮(zhèn)老街附近，屬于城中村，東面一側(cè)已開發(fā)樓盤，水域面積為2133m2，屬于小微水體。整治的現(xiàn)場調(diào)研情況為，池塘內(nèi)雜草叢生，淤泥沉積，建筑垃圾亂倒，水質(zhì)惡臭，污染較嚴(yán)重，周邊住戶通過管道將污水直排入水體，且雨季還有地表徑流污染。整治前取樣檢測的水質(zhì)指標(biāo)如表1所示，屬于重度黑臭。為改善周邊居民生活環(huán)境，消除黑臭，該文首先對排入水體內(nèi)的生活污水即污染源進行控源截污；其次對小黃河清淤疏浚、新建護坡；最后通過生態(tài)工法及太陽能曝氣系統(tǒng)強化增氧，加強水體的自凈能力，改善現(xiàn)有水質(zhì)，修復(fù)因污染遭到破壞的生態(tài)鏈。

表1 小黃河治理前、后主要水質(zhì)指標(biāo)

2.2 測試方法

該文在小黃河池塘內(nèi)設(shè)計了3臺倒傘型太陽能曝氣機，呈線性布置，間距40m。單臺設(shè)備參數(shù)：電壓24V，電機功率500W，增氧能力0.5kg/h。在設(shè)備安裝、水生態(tài)種植完成后1個月，在日照時長大于8h、光照充足且水溫為20℃～25℃的情況下，進行了復(fù)氧機增氧性能測試。為測試單臺設(shè)備性能，只開啟了中間的一臺復(fù)氧機，其他2臺停止運行。主要檢測指標(biāo)包括工作時間、水溫、溶解氧及常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)。溶解氧測量點分別布置在水平距離復(fù)氧機0m、5m、10m和15m處的水下0.1m、1.0m處。

圖2 太陽能復(fù)氧機電路原理圖

2.3 應(yīng)用效果分析

2.3.1 太陽能復(fù)氧機增氧性能分析

太陽能復(fù)氧機運行后水體中溶解氧的變化見表2。表2的數(shù)據(jù)顯示，水體中溶解氧含量較低，基本處于缺氧狀態(tài)，太陽能復(fù)氧機啟動運行2小時后，隨著運行時間的增加，水體中溶解氧含量上升較快，在運行6小時后達到峰值，后續(xù)開始下降。這是因為受到日照強度的影響，太陽能發(fā)電效率降低，所以增氧量下降。下游水體中溶解氧增氧幅度比上游高28.1%，這可能是由于在天然水體中試驗，水體有較緩慢的流速，因此上游溶解氧增加幅度低于下游。而當(dāng)下游影響半徑達到15m以上時，溶解氧變化幅度較小，基本可以判斷在復(fù)氧機運行半徑15m范圍內(nèi)，水體中溶解氧的情況均有效改善，相當(dāng)于復(fù)氧機服務(wù)面積達到700m2，該工程小黃河設(shè)計3套太陽能復(fù)用機，滿足水體增氧功能。

表2 太陽能復(fù)氧機運行后周圍水體中溶解氧的變化值

2.3.2 增氧量和動力效率分析

復(fù)氧機運行影響半徑內(nèi)增氧量和動力效率分析如圖3所示。根據(jù)圖3可知，復(fù)氧機運行影響半徑內(nèi)增氧量和動力效率存在一定的相關(guān)性。在太陽能復(fù)氧機運行過程中，增氧量在0.6kg/h～0.92kg/h，比較穩(wěn)定。水下0.1m比水下1m處增氧量要高19.4%。這是由于水面為氣、液兩相界面，復(fù)氧機葉輪在攪拌過程中帶動水面波動，增加了氣、液循環(huán)流動，使大氣中傳質(zhì)到水中的氧氣量有所增加，因此提高了水面增氧量。在復(fù)氧機運行影響半徑范圍內(nèi)，位于復(fù)氧機中心的水體增氧量和動力效率均為最高，隨著復(fù)氧機葉輪渦旋推力帶動水體上、下循環(huán)流動，復(fù)氧機周圍的高溶氧水體逐漸擴散至周圍和水下。在影響半徑15m處，水下0.1m和水下1m處的增氧量趨于接近，說明此時復(fù)氧機對周圍水體增氧的影響能力已達到極限。在影響半徑范圍內(nèi)，增氧量最高峰達到0.92kg/h，動力效率達到1.85kg/kW·h，水下0.1m處平均動力效率為1.56kg/kW·h，優(yōu)于傳統(tǒng)葉輪式增氧機的動力效率[7]。

2.3.3 水質(zhì)改善

項目經(jīng)過3個月的試運行后，小黃河水生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，檢測的主要水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。截污清淤后，僅有居民洗菜、洗衣服產(chǎn)生的少量污染物排入小黃河。通過太陽能復(fù)氧機的強化增氧和水體攪動，小黃河水生植物生長良好，DO含量維持在3mg/L以上。該文設(shè)計的太陽能復(fù)氧機有效修復(fù)了水體生態(tài)鏈，改善了水質(zhì)，使自然凈化達到平衡。

圖3 復(fù)氧機運行影響半徑內(nèi)增氧量和動力效率分析

3 結(jié)論

該項目設(shè)計的倒傘型將太陽能復(fù)氧機，利用太陽能作為清潔動力，在不裝蓄電池，且電壓（24V）和功率（0.5kW）有限的工況下，根據(jù)日照光強自動啟、停運行，在小黃河黑臭水體整治項目中得到了成功應(yīng)用。通過水質(zhì)檢測，復(fù)氧機運行有效復(fù)氧影響半徑約15m，服務(wù)面積達到700m2，在小微水體生態(tài)修復(fù)過程中較好地提高了溶解氧含量，改善了水質(zhì)，解決了水體中動力設(shè)備的供電難題，是值得推廣的黑臭水體增氧設(shè)備。